无机非金属材料工学

概述

1、机非金属材料的定义：是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐等物质组成的材料，是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。

2、无机非金属材料的分类：①传统无机非金属材料（由SiO2及其硅酸盐化合物为主要成分制成的材料）包括：水泥和其他胶凝材料、陶瓷、耐火材料、玻璃、搪瓷、铸石、研磨材料、 多孔材料、碳素材料、非金属矿 ②新型无机非金属材料（用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。如：先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等）包括：高频绝缘材料、铁电和压电材料、磁性材料、导体陶瓷、半导体陶瓷、光学材料、高温结构陶瓷、超硬材料、人工晶体、生物陶瓷、无机复合材料

3、无机非金属材料生产过程中的共性：①原料：大多来自储量丰富的天然非金属矿物 ②粉料的制备与运输：（因原料大多来自天然的硬质矿物，要使其重新化合、造型，必须进行矿物的破(粉)碎，再利用粉料配料，然后才能进行各种热处理或成型）是生产过程中不可缺少的一环 ③脱水和干燥：目的都是要从物料和制品中将水分除去，以便于输送、储存和其他环节处理 ④成型：方法很多，原理也各不相同，但是它们的任务是相同的，都是将粉体制成某种形状，使其成为具有一定机械强度和准确尺寸的坯体 ⑤高温加热（热处理）：大部分无机非金属材料生产都有加热过程，而且是整个生产的核心过程，且加热过程中所遵循的基本原理相同。

4、无机非金属材料生产过程中的个性：（粉体制备P，热处理H，成型F）①胶凝材料：水泥P(原料粉磨)-H(热处理)-P(熟料磨粉)-F(浇筑成形)，就水泥粉的制备而言，也可写成P-H-P；混凝土F；石灰H-P（-F）；石膏P-H-P(-F)②玻璃P(配料)-H(熔化)-F(冷却固化成形)；玻璃纤维P(配料)-H(熔化)-F(拉丝冷却成形)；微晶玻璃、铸石、人工晶体类P-H-F-H ③砖瓦、陶瓷P-F（制坯）-H（烧成或烧结）

第一章 原料

1、粘土：粘土是一种颜色多样，细分散的一种或者多种含水铝硅酸盐矿物的混合体

2、粘土的四个基本特征（1）矿物颗粒很细小，主要有直径＜0.002mm的粘粒组成（2）含大量的粘土矿物（3）具有独特的物理化学—工艺性质（4）团结以后，可形成泥岩、页岩、泥板岩等半硬质岩石

3、粘土的工艺性质：可塑性，离子交换性，触变性，膨化性，收缩性，烧结性能

（1）可塑性：粘土—水系统形成泥团，在外力作用下泥团发生变形，形变过程中坯泥不开裂，外力解除后，能维持形变，不因自重和振动再发生形变，这种现象称为可塑性

（2）塑性指数：指也液限与塑限之间的差值，表示粘土能形成可塑泥团的水分变化范围。指数大则成型水分范围大，成型时不易受周围环境湿度及模具的影响，即成型性能好。

（3）塑性指标：指在工作水分下，泥料受外力作用最初出现裂纹时应力与应变的乘积，反映粘土的成型性能。应力大，应变小——挤坯成型，应力小，应变大——旋坯成型

（4）离子交换性：粘土颗粒吸附的离子被其它同性电荷的离子置换，发生离子交换的性质

（5）触变性：粘土泥浆或可塑泥团受到振动或搅拌时，粘度会降低而流动性增加静置后能恢复原来状态。

4、粘土成因：各种富含铝硅酸盐矿物（如长石、伟晶花岗石）的岩石经风化（物理风化 、化学风化和有机物风化），水解，热液蚀变等作用可变为粘土。

5、粘土分类：①按成因分：原生粘土（一次粘土：较纯，耐火度较高，塑性低）、次生粘土（二次粘土：

杂质含量较高，耐火度较低，塑性高）②按可塑性分：高可塑性粘、中等可塑性粘土、 低可塑性粘土 ③按耐火度分：耐火粘土（耐火度 > 1580oC）、难熔粘土（耐火度1350～1580oC）、易熔粘土（耐火度 < 1350oC）

6、粘土的三大组成：（粘土的性能取决于粘土的组成）①化学组成：主要化学成分为SiO2、A12O3和结晶水（H2O），含有少量的碱金属氧化物，碱土金属氧化物，以及着色氧化物等

②矿物组成：高岭石类（包括高岭石、多水高岭石等）特点：吸附能力小，可塑性和结合性较差，杂质少、白度高、耐火度高。蒙脱石类（包括蒙脱石、叶蜡石等）特点：是能吸收大量的水，体积膨胀，离子交换能力强，膨润土可塑性大，触变厚化性强，严重影响泥浆性能。随外界环境的温度和湿度而变化，引起Ｃ轴膨胀与收缩。伊利石类（也称水云母）特点：一般可塑性低，干后强度小，干燥烧成收缩小，烧结温度低，烧结范围窄。③颗粒组成：颗粒很细，小于l～2um。<1um的细颗粒愈多，则可塑性愈强，干燥收缩大，干后强度高， 而且烧结温度低，（比表面积大，表面能高）片状比杆状堆积面积大，塑性大，强度高。

7、石英晶型转变特点：（自然界中石英大部分以β—石英存在，很少以鳞石英或方石英的介稳状态存在）体积效应：一级转变的体积变化大，但由于其转化速度慢，体积效应小，且在高温下有液相存在，对坯体影响不大。二级转变的体积变化小，但转化速度快，瞬间完成，体积效应大，无液相，对坯体影响大，必须严格控制。

第二章 粉体制备

1、粉碎：固体物料在外力（通常是机械力）作用下，克服分子间的内聚力，使固体物料外观尺寸由大变小，物料的比表面积由小变大的过程。物料的粉碎通常是在破碎机和粉磨机内进行的，所以，按物料粉碎的粗细程度，又划分为破碎和粉磨两个过程。

2、磨机的原理、运动状态及优缺点

（1）原理：当球磨机筒体以适宜的速度回转时，研磨体在惯性离心力和摩擦力的作用下，随筒壁上升到一定的高度，然后抛落下来，使物料受到研磨和冲击而被磨碎。

（2）运动状态：球磨机对物料的粉磨作用主要是研磨体对物料的碰击与研磨，在不同的球磨机转速下，研磨体的运动形式有所不同 ①泻落式运动状态（倾斜态）：当球磨机的转速很低时，研磨体向下滚动泻落，球磨机主要以研磨方式进行工作，效率较低 ②抛落式运动状态（抛落态）：当球磨机的转速较高时，即以某一适宜的转速回转时，对物料产生冲击和研磨作用，效率高 ③离心式运动状态（周转态）：当球磨机转速很高时，对物料不产生任何粉碎作用，这时称为“离心状态”，效率为零

（3）优点：1、适应性强；2、 粉碎比大，可达300以上；3、可湿法作业，又能干法作业； 4、 结构简单坚固；5、密封性好 不足之处：1、功耗大，效率低；2、 体型庞大；3、需配备昂贵的减速系统；4、研磨体、内衬耗量大；5、噪音大。

3、原料精加工：是指对原料进行分离、提纯和除去各种有害杂质的过程。从机理上分为物理方法、化学方法、物理化学方法。物理方法包括：分级法、磁选法和超声波法；化学方法包括：包括溶解法和升华法；物理化学方法包括：浮选法和电解法

4、煅烧和烧成：(1)通常将初步密集定形的粉块（生坯）经高温烧结称产品的过程成为烧成 （2）将尚未烧成的物料经过高温合成某些矿物（水泥）或使矿物分解获得某些中间产物（如石灰和粘土熟料）的过程称为煅烧。

5、风化：大多数粘土是由风化作用形成的。风化程度较差的粘土开采以后若进一步风化，可以提高粘土的成型性能，如将粘土堆放在露天，夏天受到太阳、风雨的作用，冬天受到冰冻作用，料块就会进一步松解崩裂，这样能使粘土原料的颗粒变细，可溶性盐被洗去一些，可塑性增高，其他工艺性能也稳定。风化使粘土原料破裂，使其更易粉碎，这点对硬质粘土意义更大。

第三章 融化与相变

1、澄清：是使玻璃液继续加热，降低熔体粘度，排除可见气泡的过程，约1400-1500℃，玻璃粘度10Pa●s。

2、玻璃熔制:将玻璃配合料经过高温加热形成均匀的、无气泡的(即把气泡、条纹和结石等减少到容许限度)，并符合成形要求的玻璃液的过程。

5、二次汽泡产生的原因：(1)碳酸盐或硫酸盐继续分解 (2)含钡玻璃在高温和降温时易生气泡 (3)耐火材料中小气泡的成核作用而引起二次气泡 (4)溶解气体析出。为了避免二次气泡的出现，在冷却过程中，必须防止温度的回升。

6、影响玻璃熔制过程的因素

（1）配合料化学组成：化学组成不同，熔化温度亦不同，助熔剂总量对二氧化硅（难熔物）的比值愈高，则愈易熔化。

（2）配合料的物理状态：A、选用原料品种的异同（原料不同，会影响配合料分层、挥发量、熔化温度等）B、颗粒组成（原料颗粒度及各种原料的颗粒比，构成配合料颗粒组成。它影响熔化阶段的熔融速度和熔融时间。颗粒比表面积愈大，反应速度愈快。影响最大的是石英的颗粒度）C、配合料中熟料引入量（可以促进熔化，熟料太多也不利熔化）

（3）配合料的均匀度：预先粒化、烧结、压块，会加速熔化过程。

（4）加料方式：薄层加料有利。

（5）熔窑的熔制制度：熔制温度决定玻璃的熔化速度，温度愈高，硅酸盐生成的反应愈剧烈，石英颗粒熔解愈快，玻璃形成速度也愈快。

（6）耐火材料的性质：使用质量好的耐火材料，有利于减少因耐火材料侵蚀而产生的条纹、结石等缺陷，提高熔制温度。

（7）加速剂的应用：化学活性物质，可以降低熔体表面张力、粘度、增加熔体透热性，有利于熔体气泡消除与化学均化。

6、短性玻璃：在l0^2~10^8Pa·s粘度范围内温度范围小的玻璃称短性玻璃，随温度变化，粘度变化速率快，又称为快凝玻璃

长性玻璃：在l0^2~10^8Pa·s粘度范围内温度范围大的玻璃称长性玻璃，随温度变化，粘度变化速率慢，又称为慢凝玻璃

第四章 成型

1、成型：是将配合料制成的浆体、可塑泥团、半干粉料或融熔体，经适当的手段和设备变成一定形状制品的过程。成型一般由两个步骤组成：（1）使可流动变形的物料成为所需要的形状；（2）通过不同的机制使其定形。

2、浆料成型基本过程：浆体在模具中流动，在短期内充满模具，使其具有模具的形状，然后经脱水或水化，使其成为自重下不致变形的胚体，即可脱模，并在随后的继续干燥或水化变化接近完全的固体。

3、注浆成型：（传统）在石膏模的毛细管力作用下，含一定水分的粘土泥浆脱水硬化成坯的过程（现代）

将陶瓷配合料制成能流动的浆体，注入模型，依靠模具的脱水（或其它特别的）作用而成型。

8、退火的目的及包含的阶段和要点

（1）定义：消除玻璃制品在成型或热加工后残留在制品内的永久应力的过程称为退火。

（2）目的：防止炸玻璃制品的炸裂和提高玻璃的机械强度

（3）过程：玻璃制品的退火包括加热、保温、慢冷及快冷四个阶段。

加热阶段：把制品加热到退火温度。加热速度可以较快。

保温阶段：消除快速加热时制品存在的温度梯度，并消除制品中所固有的内应力。

慢冷阶段：防止在降温过程中由于温度梯度而产生新的应力。初冷速度应最低。慢冷阶段的结束温度，必须低于玻璃的应变点。

快冷阶段：指应变温度到室温这段温度区间。保证制品不致因热应力而破坏的前提下，可以尽快冷却玻璃制品。

9、玻璃的热应力：玻璃中由于温差而产生的内应力称为热应力。玻璃在应变点附近属粘弹性体，既具有弹性也具有粘性，因此，应力可以得到消除(松弛)。

（1）暂时应力在温度低于应变点时，玻璃经受不均匀的温度变化时会产生热应力。当温度梯度消失时，应力也消失。这种热应力称为暂时应力。

（2）永久应力玻璃在成型中，由粘性体向固体转化时，因内外温差大，制品的内外层到达固体的时间不一样，当较高温度的内层收缩固化时，对早己固化的外层产生压应力，而自身受到拉应力。当各层温度都达到室温时，内外层存在较大的内应力，它永久存在于玻璃中，这种应力称永久应力。

10、造粒方法：喷雾干燥造粒 喷雾干燥是从浆体中排除水分并得到近于球形粉状颗粒的过程（脱水＋造粒） 雾化→热气流→水分蒸发→表面张力→粒状的空心球 优点：料浆脱水效率高，同时，又可以得到流动性（成型性能）好的粉状颗粒。是一种较理想的造粒方法。

第五章 脱水与干燥

1、干燥：也称为烘干,用加热的方法除去物料中部分物理水分的过程。

2、外热源法：是指在物料的外部对物料表面加热使物料受热，蒸发水分，而得以干燥。外热源法的加热方式：（a）对流加热（b）辐射加热（c）对流-辐射加热。

3、内热源法：是将湿物料放在高频交变的电磁场中或微波场中，使物料本身的分子产生剧烈的热运动发热或使交变电流通过物料而产生热量，物料中水分蒸发，得以干燥。

4、物料中的水分：①化学结合水：以结晶水的形态存在于物料的矿物分子中，结合最为牢固，干燥工艺中一般不予考虑 ②物理化学结合水（吸附水、渗透水、微孔水、毛细管水，结构水，吸附水与物料的结合为最强）：与物料的结合较化学结合水要弱，可以部分排除 ③机械结合水（润湿水、大孔隙水及粗毛细管水）：与物料的结合最弱，干燥过程中被排除。也称为自由水。

5、内扩散：物料表面的水分就要向干燥介质中扩散（蒸发）的过程

外扩散：物料内部的水分就要向物料表面迁移的过程

7、影响干燥速率的因素

（一）外扩散速率：外扩散速率取决于干燥介质的温度（流速的大小和方向）以及物料的性质。一般来说，干燥介质的温度越高（相对湿度就越小），流速越快（边界层就越薄），外扩散速率就越大。

（二）内扩散速率：①湿扩散是指在水分浓度差的作用下，水分从物料内浓度高的的地方向浓度低的地方的迁移过程。湿扩散速率与物料制品的厚度有关，因此减薄制品的厚度可以提高干燥速率 ②热扩散是指在温度差的作用下，水分从物料内温度高的地方向温度低的地方的迁移过程。用内部加热方式，物料内部温度高于表面温度，热扩散成为干燥的动力。应尽可能采用内部加热方式或其它使热扩散能够成为干燥动力的加热方式

第七章 烧成

1、烧成温度：指陶瓷坯体烧成时获得最优性质时的相应温度，即烧成时的止火温度。实际操作时，止火温度指一个允许的波动范围，习惯上称为烧成范围。下限温度：坯体技术性能开始达到要求指标时的对应温度；上限温度：坯体的结构和性能指标开始劣化时的温度。

2、烧结温度：材料加热过程达到气孔率最小、密度最大时的温度。对同一种坯体，由于细度不同而有一个对应于最高烧结程度的煅烧温度，此温度即为烧结致密陶瓷体的烧结温度，细度不同烧结温度不同。

3、二者区别：对于多孔制品，因为不要求致密烧结，达到一定的气孔率及强度后即终止热处理，所以多孔坯体只有烧成温度而无烧结温度。

5、低温烧成：凡烧成温度有较大幅度降低（如降低幅度在80～100℃以上者）且产品性能与通常烧成的

性能相近的烧成方法可称为低温烧成

6、快速烧成：产品性能无变化，而烧成时间大量缩短的烧成方法

7、满足快烧的工艺要求

（1）坯、釉料能适应快速烧成的要求 坯料：A、干燥收缩和烧成收缩均小；B、坯料的热膨胀系数要小；C、导热性能好；D、少含晶型转变的成份；釉料：A、化学活性强，以利于物理化学反应能迅速进行；B、始熔温度要高些；C、高温粘度比普通釉料低些，而且随温度升高粘度降低较多，以便获得平坦光滑无缺陷的釉面；D、膨胀系数较常规烧成时小）

（2）减少坯体入窑水分、提高坯体入窑温度

（3）控制坯体厚度、形状和大小

（4）选用温差小和保温良好的窑炉，小截面窑炉

（5）选用抗热震性能良好的窑具

8、气氛要求：①低温阶段：氧化气氛 ②氧化分解阶段：氧化气氛，或强氧化气氛 ③玻化成瓷期：强还原气氛 ④后期弱还原和高火保温阶段：弱还原气氛或中性气氛 ⑤退火：中性或弱还原

第二篇

第一章 水泥

1、胶凝材料：在物理的、化学的、或物理化学的作用下，能把散粒状的物料或块状物料胶结一起形成具有一定的机械强度的硬化浆体的物质

2、水泥：凡磨细成粉末状加入适量的水后成塑性的浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能胶结其他块状或粉状物料，形成具有抵抗外力能力的石状体的无机粉状的水硬性胶凝材料

3、分类：按其用途和性能可分为通用水泥、专用水泥、特性水泥。通用硅酸盐水泥包括：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥

4、硅酸盐水泥：凡由硅酸盐水泥熟料、0-5%石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成水硬性胶凝材料，成为硅酸盐水泥。硅酸盐水泥熟料指的是由适当成分的生料经高温煅烧至部分熔融、再冷却得到的以硅酸钙为主要矿物的烧结料。

5、水泥与其他建材相比具有以下优点：低能耗；耐久；易成型；多品种，多特性；可复合

6、水泥材料：硅酸盐水泥熟料 石膏 活性混合材 非活性混合材 窑灰 助磨剂

第二章 陶瓷

1、陈腐：球磨后的注浆料放置一段时间后，粘度降低，流动性增加，空浆性能也得到改善；经压滤得到的泥饼，其水分和固体颗粒的分布很不均匀，同时含有大量空气，不能用于可塑成型。经过一段时间的陈放，可使泥料组分趋于均匀，可塑性提高。同样，造粒后的压制坯料在密闭的仓库里陈放一段时间，可使坯料的水分更加均匀。上述情况，生产中称为陈腐

3、釉的各种温度

（1）始熔温度：圆柱体试样（φ2mm3mm）受热至形状开始变化、棱角变圆的温度

（2）全熔温度：试样变成半圆球的温度

（3）流动温度：试样流散开来，高度降至原有的1／3时的温度流动温度

5、造粒：将细碎后的陶瓷粉料制备成具有一定粒度（假颗粒）级配、流动性好的坯料，使之适用于压制成型的工艺。包括传统的轮碾造粒、锤式打粉和辊筒式造粒以及喷雾干燥工艺。

第三章 玻璃

1、弹性玻璃：玻璃在外力作用下发生变形，当外力去除后能恢复原来形状的性质

2、玻璃体的缺陷：气泡（气体夹杂物）、结石（结晶夹杂物）、条纹和节瘤（玻璃态夹杂物）

（1）气泡 ①一次气泡 熔制过程中澄清不良造成。提高澄清温度；调节澄清剂用量；降低窑内气体压力；降低玻璃与气体界面上的表面张力 ②二次气泡 稳定的熔制温度制度；气氛；窑压 ③耐火材料气泡 来源：耐火材料空隙中的气体被排到玻璃液；耐火材料与玻璃液的某些反应形成气体 防止：提高耐火材料质量；稳定熔窑作业制度

（2）结石 ①配合料结石（未熔化的颗粒）②耐火材料结石 ③析晶结石

（3）条纹和节瘤 ①熔制不均匀引起 ②窑碹玻璃滴引起的 ③耐火材料被侵蚀引起的 ④结石熔化引起的

3、热钢化：把玻璃加热到一定温度，在冷却介质中急剧均匀冷却，玻璃内外层产生很大的温度梯度，所产生的应力由于玻璃处于粘滞流动状态而被松弛，使之有温度梯度而无应力状态。当玻璃温度梯度消失，原松

弛应力转为永久应力，玻璃表面产生一层压应力，因此使玻璃强度增大 目的：提高平板玻璃的强 影响玻璃热钢化的因素：有淬火温度、介质传热速率、玻璃厚度、玻璃组成等

4、化学钢化：把加热的含碱玻璃浸于熔融盐浴中处理，通过玻璃与熔盐的离子交换改变玻璃表面的化学组成，使玻璃表面形成压应力层 化学钢化常采用的工艺有两种：低温离子交换、高温离子交换

5、玻璃的通性：①各向同性 ②介稳性 ③熔融态转变为玻璃态是渐变的、可逆的，在一定温度范围内完成，无固定熔点 ④物理、化学性质随成分变化的连续性 ⑤由熔融态向玻璃态转化时物理、化学性质随温度变化的连续性与可逆性

6、影响玻璃性能的因素

（2）机械强度 玻璃成分；玻璃的缺陷；温度；玻璃中的应力

（3）弹性 组成（化学键越强变形越小，E越大）；热处理（淬火玻璃E<退火玻璃E）；温度（T↑ E↓）

第四章 耐火材料

1、耐火材料：是耐火度不低于1580oC的无机非金属材料 组成：化学组成和矿物组成

2、不定形耐火材料：是由合理级配的粒状和粉状料与结合剂共同组成的不经成形和烧成而直接供使用的耐火材料

3、耐火材料的性质

（1）耐火度：耐火材料在无荷重时抵抗高温作用而不熔化的性质。决定耐火度高低的最基本因素是材料

的化学矿物组成及其分布情况。

（2）荷重软化温度：耐火材料在一定的重力负荷和热负荷共同作用下达到某一特定压缩变形时的温度。表征耐火材料抵抗重力负荷和高温热负荷共同作用而保持稳定的能力。主要取决于制品的化学矿物组成、宏观结构有关。

（3）高温体积稳定性：耐火材料在高温下长期使用时，其外形体积保持稳定不发生变化（收缩或膨胀）的性能。一般以制品在无重负荷作用下重烧体积变化百分率或重烧线变化百分率来衡量其优劣。

（4）耐热震性：又称热震稳定性、耐急冷急热性，是耐火制品抵抗温度急剧变化而不破坏的能力。 改善耐热震性：提高制品强度；降低弹性模量；改善微观结构；降低热膨胀系数；提高导热率等。